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分辨率与对比度限制:艾里斑
爱特蒙特光学有限公司。

分辨率与对比度限制:艾里斑

成像资源指南2.5章节

光穿过任何尺寸的孔径时(每个镜头都具有限定的孔径),都会产生衍射。由此产生的衍射图案(中心是一块明亮区域,周围是一系列亮度不断降低的同心圆环)被称为艾里斑(参见图1)。

此图案的直径与照明光线的波长(λ)以及圆形孔径的尺寸相关,这一点非常重要,因为艾里斑是光束可以聚焦到的最小点。物体上的不同细节聚焦产生的艾里斑图案会紧密靠近,然后开始重叠(有关对比度的详细信息,请参见对比度)。当重叠图案对降低对比度造成具有足够建设性的干扰时,最终将无法相互区分。图1显示了f/2.8的镜头组和f/8的镜头组之间的光斑大小差异。

随着像素大小继续减小,其影响会越来越显著,最终难以克服。艾里斑(或最小光斑大小)可以使用f/#和波长(μm)计算:

(1)$$ \text{最小光斑大小 (艾里斑直径) [}  \large{\unicode[arial]{x03BC}}  \text{m]} = 2.44 \cdot \lambda \left[  \large{\unicode[arial]{x03BC}}  \text{m} \right] \cdot f/ \# $$
Diffraction Increases as the Imaging Lens Iris is Closed
图 1: 衍射随成像镜头虹膜关闭(f/#增加)而增加。

表1显示了使用绿光(520nm或0.520μm)计算得出的不同f/#s下的艾里斑直径。最小的可实现光斑大小可能会快速超过小像素的大小。这会导致在尝试获得具有适用对比度级别的传感器的完全分辨率能力时遇到困难。此外,这也没有考虑任何镜头设计的局限性以及与镜头元件和光学组件相关的制造误差,而这些情况会导致生成物理可实现的最小光斑的能力降低,进而降低分辨率和对比度级别。

f/#波长为520nm时的艾里斑直径 (μm)
1.4 1.78
2 2.54
2.8 3.55
4 5.08
5.6 7.11
8 10.15
11 13.96
16 20.30

表 1: 最小光斑大小(或艾里斑)随f/#增加而增加,并且可以快速超过像素大小。


注意: 这些都是理论,是光学系统限制的起点。

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